CN104676649A - 一种阻尼热声振荡声学火焰筒 - Google Patents

Abstract

一种阻尼热声振荡声学火焰筒，属于燃气轮机技术领域。本发明的技术特点是在火焰筒的外壁面上沿气流方向布置多个圆环形肋片结构，在每个圆环形肋片结构内部至少设有一个谐振腔，每个谐振腔与所述火焰筒内部相连通。谐振腔的结构形式采用亥姆霍兹谐振腔结构或四分之一波长谐振腔结构。本发明不仅结构简单，而且无需额外增加谐振器就能实现抑制或衰减燃气轮机燃烧室内的热声振荡；同时由于在火焰筒壁面上设置了多个肋片，增加了换热面积，从而有效增强了火焰筒的散热效果。

Description

一种阻尼热声振荡声学火焰筒

技术领域

本发明涉及燃气轮机燃烧室火焰筒的结构设计，具体涉及一种用于降低燃烧动态的声学火焰筒结构，属于燃气轮机技术领域。

燃气轮机正朝着大功率、高效率、低排放、燃料多样化及长寿命方向发展；其发展趋势集中体现以下几方面：1)提高压气机压比和透平入口初温以提高燃气轮机整机性能；2)拓宽燃烧室的燃料适应性以实现多种能源高效、低碳利用；3)采用先进的燃烧技术使污染物排放降低以满足环保要求；4)采用先进设计技术使部件及整机效率不断提高；4)研制新型高温材料和采用先进冷却技术以提高热端部件的性能和可靠性。

燃气轮机主要由压气机、燃烧室和透平三大核心部件组成。燃烧室主要起到提供动力和控制污染物排放的功能。其中，污染排放指标，特别是NOx的排放指标成为考核燃烧室综合性能的关键指标之一。NOx的生成主要与最高火焰温度和火焰在燃烧室的停留时间有关。为了保证燃料空气混合物在燃烧室内燃烧充分，必须保证有足够的停留时间，因此降低NOx的主要方法就是控制燃烧的最高火焰温度。目前几大燃机厂商大都采用贫预混燃烧技术来降低燃烧的最高火焰温度，进而降低NOx的排放。热声振荡是贫预混燃烧面临的一个巨大挑战和急需解决的问题，因为如果压力脉动幅值超过一定的阈值后会对燃烧室部件或其它部件以及燃机本身造成严重的损坏。

现有技术中，对热声振荡的避免或抑制手段主要有：1)改进燃烧室部件的设计；2)在燃烧室部件上布置谐振器；3)燃机投入运行后的燃烧动态调整等。其中，在燃烧室上布置谐振器主要用于抑制或避免燃烧室内的高频和中频振动，现有公开专利文献中已有该方面的一些技术。在中国专利公开号为CN102003286A的专利文献中，通用电气化公司还提出了一种声学上加强的燃气涡轮燃烧器供应策略，在该方法中，通过在燃气轮机燃烧器上游的流体喷射系统上布置可变几何形状的谐振器和相应的控制器来衰减或阻尼燃烧器中的压力振荡。该方法虽然可有效衰减流体路径和燃烧器中的压力振荡，但需要额外增加变几何谐振器和相应的控制器，从而增加了燃气轮机系统的复杂性。在中国专利公开号为CN101263343A的专利文献中，西门子公司发明了一种在燃气轮机内阻尼热声振荡的方法和装置，在该专利文献中，将谐振器安装在燃烧室的机匣上，谐振器与燃烧室通过两条管路连通，可有效消除和避免某一频段的热声振荡问题，但该方法需要在燃烧系统中额外布置谐振器。在公开号为CN1615416的专利文献中，阿尔斯通公司发明了一种新型的燃气轮机燃烧室结构，为了衰减该燃烧室内的热声振动，安置了至少一个亥姆霍兹减振器，该亥姆霍兹减振器的减振容积通过通道与燃烧室连接，同时该亥姆霍兹减振器的减振频率可调节，但同样由于需要额外增加亥姆霍兹减振器和调节机构使燃烧室的结构变得复杂。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、用于抑制火焰筒内燃烧气体流的不同频率振荡的声学火焰筒，以克服现有技术中因布置额外的谐振器而导致的燃气轮机燃烧系统结构复杂的问题。

本发明的另一个目的提高火焰筒的散热效果。

本发明的技术方案如下：一种阻尼热声振荡声学火焰筒，其特征在于：在火焰筒的外壁面上沿气流方向布置多个圆环形肋片结构，在每个圆环形肋片结构内部至少设有一个谐振腔，所述谐振腔与所述火焰筒内部相连通。

本发明的上述方案中，其特征在于：在每个圆环形肋片结构内部的谐振腔均匀布置；所述多个圆环形肋片结构沿火焰筒外壁面等间距分布。

本发明所述的谐振腔采用亥姆霍兹谐振腔结构，或采用四分之一波长管谐振腔结构。

本发明具有以下优点及突出性的技术效果：①本发明的阻尼热声振荡声学火焰筒，不仅结构简单，而且无需额外增加谐振器，只需将谐振腔开设在火焰筒壁的肋片结构中，也不需要为谐振器预留相应的布置空间就能实现抑制或衰减热声振荡的功能。②由于在火焰筒壁面上设置了多个肋片结构，增加了换热面积，从而有效提高了火焰筒的散热效果。

附图说明

图1是本发明提供的一种阻尼热声振荡声学火焰筒实施例的结构示意图。

图2是图1的A—A剖面图。

图中符号说明如下：10-环形肋片结构；20-谐振腔；30-火焰筒外壁面；40-气流方向。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的原理结构和具体实施方式作进一步详细描述。

图1是本发明提供的一种阻尼热声振荡声学火焰筒实施例的结构示意图，在火焰筒的外壁面30上沿气流方向40布置多个圆环形肋片结构10，在每个圆环形肋片结构内部至少设有一个谐振腔20，所述谐振腔与所述火焰筒内部相连通。在本发明的优选实施例中，多个圆环形肋片结构10沿火焰筒外壁面30等间距分布，且在每个圆环形肋片结构内部的谐振腔20均匀布置(如图2所示)。但该实施例只是为了更好地说明本发明的原理和设计思路，在实际应用中，应根据具体情况进行修改和设计，例如肋片结构的形状(除圆形以外的其它现状)、数量、在火焰筒外壁面上的布置形式，以及谐振腔在肋片结构内部的数量和布置等均可以做适当的改变。

本发明中的谐振腔采用现有技术中比较成熟的亥姆霍兹谐振腔结构，或采用四分之一波长管谐振腔结构。谐振腔的工作原理是：谐振腔是使加压流体在特定频率下振荡的声学腔室，它的几何构造直接关系到振荡的频率，如果火焰筒内的流体压力由于外力的影响而波动，则调节这些波动频率的谐振腔可衰减波动的幅值。

Claims (5)

1.一种阻尼热声振荡声学火焰筒，其特征在于：在火焰筒外壁面(30)上沿气流方向(40)布置多个圆环形肋片结构(10)，在每个圆环形肋片结构内部至少设有一个谐振腔(20)，所述谐振腔与所述火焰筒内部相连通。

2.根据权利要求1所述的一种阻尼热声振荡声学火焰筒，其特征在于：在每个圆环形肋片结构内部的谐振腔(20)均匀布置。

3.根据权利要求1所述的一种阻尼热声振荡声学火焰筒，其特征在于：所述多个圆环形肋片结构沿火焰筒外壁面(30)等间距分布。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种阻尼热声振荡声学火焰筒，其特征在于：所述谐振腔采用亥姆霍兹谐振腔结构。

5.根据权利要求1、2或3所述的一种阻尼热声振荡声学火焰筒，其特征在于：所述谐振腔采用四分之一波长管谐振腔结构。